Плоскость поляризации света может поворачиваться почти на 6 ° при прохождении им через пленку графена в магнитном поле. Это новое свойство графена стало неожиданным, потому что большие повороты плоскости поляризации обычно встречаются в значительно более массивных объектах. Ученые считают, что обнаруженное свойство графена может быть использовано в новых устройствах включения-выключения света с помощью электрических и магнитных полей.
Явление поворота плоскости поляризация света при прохождении через материал под действием магнитного поля известно уже давно. Но поскольку величина этого угла пропорциональна толщине материала, а толщина графена составляет всего лишь один атомный слой, не ожидалось возникновения больших вращений плоскости поляризации. Однако Алексей Кузьменко (Alexey Kuzmenko) и его коллеги из Женевского университета обнаружили, что графен поворачивает плоскость поляризации света на 0,1 радиан, или примерно 6 °. В работе также принимали участие исследователи из Института Фрица Габера в Берлине и университета Эрланген-Nueremberg в Германии и Национальной лабораторией Лоренса Беркли в США.
По словам Кузьменко, они сделали открытие при изучении квантового эффекта Холла в графене. При этом использовалось инфракрасное излучение. "Мы не ожидали увидеть большого вращения плоскости поляризации в графене" – говорит он: "Мы ожидали увидеть вращение около 0,01 радиан, а вместо этого мы увидели угол поворота в 0,1 радиан. Этот результат означает, что графен обладает значительно большим эффектом Фарадея на один атомный слой, чем любой другой материал, опередив таким образом своих ближайших конкурентов, полупроводников, в инфракрасной области спектра в 10 раз.
Исследователи измерили эффект Фарадея при прохождении инфракрасного света через поляризационный фильтр линейной поляризации. Луч света после фильтра был направлен на образец графена, перпендикулярно поверхности которого было приложено магнитное поле. После прохождения графена луч света попадал через второй поляризационный фильтр на детектор. Известно, что если направления поляризации двух фильтров перпендикулярны, то свет будет полностью ими поглощен. Но если плоскость поляризации света поворачивается при прохождении через графен, то угол, при котором свет будет полностью поглощаться, будет отличаться от 90 ° на так называемый угол Фарадея (Faraday angle).
Физики считают, что большое вращение плоскости поляризации является результатом поведения электронов графена, которые ведут себя так, как будто они не имеют массы. При наложении магнитного поля электроны начинают вращаться по круговым циклотронным орбитам, которые очень сильно отличается от аналогичных в других материалах. Переходы между этими орбитами оказывают влияние на круговую поляризацию проходящего света и приводят к увеличению угла Фарадея.
По словам Кузьменко, данный эффект может быть использован для создания устройств-выключателей, в которых свет может двигаться только в одном направлении. Таких оптических диодов, известных как "изоляторы Фарадея", в настоящее время не существует для области инфракрасного спектра.
Одним из важных преимуществ магнито-оптических устройств на основе графена является то, что направление вращения плоскости поляризации может быть изменено приложением электрического поля. В других материалов, в отличие от графена, это возможно только путем приложения магнитного поля, что является более медленным и сложным процессом. Причина, по словам Кузьменко, заключается в уникальной способности графена изменять знак носителей заряда с отрицательного на положительный при приложении электрического поля.
Андреа Феррари (Andrea Ferrari) из Кембриджского университета уверен в том, что новое оптическое свойство графена найдет применение в области фотоники и оптоэлектроники. "Эффекта Фарадея и магнитооптический эффект Керра широко применяются в оптике, для хранении данных и в вычислениях" – говорит он. "Это, в сочетании с другими известными свойствами графена, может привести к созданию уникальных устройств."
Есть, однако, несколько проблем, возникающих при реализации подобных устройств. Одна из них заключается в том, что для достижения угла поворота плоскости поляризации в 45 °, что необходимо в практических устройствах, требуется 10 независимых слоев графена. Еще одной проблемой является то, что графен поглощает инфракрасное излучение, что может привести к значительной потере сигнала в устройствах.
